Теплогенератор пульсирующего горения

 

Изобретение относится к устройствам для сжигания топлива в пульсирующем потоке. Теплогенератор пульсирующего горения содержит эжектор, камеру пульсирующего горения с аэродинамическим клапаном, включающую камеру сгорания с системой подачи и воспламенения топлива и резонансную трубу, расположенные в общем кожухе, который телескопически соединен с эжектором с возможностью осевого перемещения, воздушную трубу с входным и выходным участками. Теплогенератор снабжен охладительно-смесительной камерой, соединенной с эжектором, ось которой расположена перпендикулярно оси эжектора, охладительно-смесительная камера имеет цилиндрический участок с патрубком для подвода газов из эжектора по окружности камеры, конический участок, оканчивающийся выходным соплом, суживающееся воздушное сопло, расположенное внутри указанной камеры, и патрубок для подключения выходного участка воздушной трубы, выходной участок воздушной трубы телескопически соединен с входным участком воздушной трубы с установленной в нем заслонкой, при этом входной участок трубы имеет раструб, расположенный соосно с выступающим из кожуха концом аэродинамического клапана. Изобретение позволяет расширить технологические возможности за счет большого диапазона регулирования температур рабочей смеси в результате смешения горячего и холодного воздуха непосредственно перед обрабатываемыми продуктами или перед подачей его в систему воздушного отопления. 2 ил.

Устройство относится к области энергетики, в частности к устройствам для сжигания топлива в пульсирующем потоке, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, например в сушильных агрегатах, для отопления помещений производственного назначения.

Известна пульсационная горелка для сжигания дизельного топлива, содержащая камеру сгорания, аэродинамический клапан, резонансную трубу, тангенциально присоединенную к камере сгорания, систему подачи топлива через форсунку, запорный вентиль и систему зажигания, включающую электрическую свечу и трубку для подачи воздуха для обеспечения начального импульса воспламенения топлива. Такая горелка обеспечивает полное сгорание топлива и обладает большой надежностью в работе. Однако без применения дополнительных приспособлений область ее использования ограничивается, только лишь, высокотемпературными процессами (см. "Экспериментальное исследование горелки для сжигания дизельного топлива". В.С. Северянин, В.Г. Смоленский, В.К. Кацевич, Л. В. Качинова/Энергетика//Известия высших учебных заведений. - 5. 1984. С. 105-108).

Известен теплогенератор с камерой пульсирующего горения для пневмосушилки сыпучих материалов. Теплогенератор включает камеру пульсирующего горения, состоящую из цилиндрической камеры воспламенения и осесимметрично присоединенной резонансной трубы, с аэродинамическим клапаном, расположенным под углом 90^o к оси камеры воспламенения. Камера пульсирующего горения заключена в кожух, оканчивающийся рессивером. Для регулирования температуры рабочей смеси, состоящей из смеси продуктов сгорания и воздуха, через воздушную трубу нагнетается вторичный воздух в пространство между камерой пульсирующего горения и кожухом. Нагнетание осуществляется за счет импульса газа из аэродинамического клапана. Количество воздуха, поступающего через зазор между камерой пульсирующего горения и кожухом в рессивер регулируется заслонкой, расположенной в воздушной трубе (см. "Combustion Technology: Some Modern Developments"/ Edited by Howard B. Palmer, J. M. Beer -: Academic Press New York and London, 1977, p. 455 Abbot, A. Putman and Dennis J. Brown).

Недостатком такого устройства является то, что вторичный воздух, даже при полностью открытой заслонке, после попадания в кожух нагревается до высоких температур от стенок камеры пульсирующего горения, поэтому возможности регулирования и, при необходимости, понижения температуры сушильного агента ограничены.

Известен теплогенератор пульсирующего горения, содержащий камеру пульсирующего горения с аэродинамическим клапаном, включающую камеру сгорания с системой подачи и воспламенения топлива, резонансную трубу, присоединенную тангенциально к камере сгорания, установленную в кожухе с эжектором, имеющим возможность осевого перемещения по отношению к цилиндрической части кожуха, что обеспечивает поднос определенного количества воздуха для получения рабочей смеси требуемых параметров в рессивере, регулирование которых осуществляется с помощью изменения расстояния от конца резонансной трубы до горловины эжектора и расхода топлива, подаваемого в камеру воспламенения, а воздушная труба служит для охлаждения камеры воспламенения в процессе работы теплогенератора и повышения производительности по количеству рабочей смеси газов (прототип) (см. Патент РФ 2096683, МКИ⁶ F 23 C 11/04 от 10.03.95).

В известном теплогенераторе при возможности регулирования параметров рабочей смеси газов с помощью телескопического соединения кожуха и эжектора камера воспламенения обдувается холодным воздухом, нагнетаемым с помощью аэродинамического клапана из окружающей среды через воздушную трубу в открытый с торца кожух, затем воздух по каналу между кожухом и резонансной трубой поступает в горловину эжектора, что в сумме позволяет достигать температуру рабочей смеси на выходе из сопла рессивера около 250^oС при температуре на выходе из резонансной трубы перед эжектором 1000^oС. Недостатком такого устройства являются ограниченные возможности понижения температуры рабочей смеси газов, так как воздух, проходящий через кожух и обеспечивающий понижение температуры продуктов сгорания, перед входом в эжектор нагревается от стенок камеры сгорания и резонансной трубы. В то же время для сушки некоторых сельскохозяйственных продуктов и в системах воздушного отопления требуется температура рабочей смеси в пределах 100-150^oС.

Технической задачей данного устройства является расширение технологических возможностей теплогенератора пульсирующего горения за счет большего диапазона регулирования температур рабочей смеси в результате смешения горячего и холодного воздуха непосредственно перед обрабатываемым продуктом или перед подачей его в систему воздушного отопления.

Поставленная техническая задача достигается тем, что теплогенератор пульсирующего горения, содержащий эжектор, камеру пульсирующего горения с аэродинамическим клапаном, включающую камеру сгорания с системой подачи и воспламенения топлива и резонансную трубу, расположенные в общем кожухе, который телескопически соединен с эжектором с возможностью осевого перемещения, воздушную трубу с входным и выходным участками, снабжен охладительно-смесительной камерой, соединенной с эжектором, ось которой расположена перпендикулярно оси эжектора. Охладительно-смесительная камера имеет цилиндрический участок с патрубком для подвода газов из эжектора по окружности камеры, конический участок, оканчивающийся выходным соплом, суживающееся воздушное сопло, расположенное внутри указанной камеры, и патрубок для подключения выходного участка воздушной трубы. Выходной участок воздушной трубы телескопически соединен с входным участком воздушной трубы с установленной в нем заслонкой. При этом входной участок трубы имеет раструб, расположенный соосно с выступающим из кожуха концом аэродинамического клапана.

На фиг. 1. изображен общий вид теплогенератора с камерой пульсирующего горения и охладительно-смесительной камерой в варианте, в котором их оси перпендикулярны; на фиг. 2. - проекция (вид сверху) общего вида теплогенератора, Теплогенератор пульсирующего горения (фиг.1 и 2) содержит камеру пульсирующего горения с аэродинамическим клапаном 1, включающую камеру сгорания 2 с системой подачи топлива через форсунку 3, запорный вентиль 4, систему воспламенения, состоящую из электрической свечи 5 и трубки 6 для подачи воздуха в момент первоначального воспламенения топлива, резонансную трубу 7, тангенциально присоединенную к камере сгорания 2, расположенные в общем кожухе 8, который с помощью телескопического соединения 9 связан с эжектором 10, что обеспечивает возможность осевого перемещения эжектора для изменения расстояния от среза резонансной трубы 11 до горловины эжектора 12, воздушную трубу, состоящую из входного участка 14, жестко скрепленного посредством перемычки 16 с кожухом 8, и выходного участка 13, при этом теплогенератор снабжен охладительно-смесительной камерой 17, которая соединена с выходным отверстием 28 эжектора 10 таким образом, что ее ось расположена перпендикулярно оси эжектора. Охладительно-смесительная камера имеет цилиндрический участок 18 с патрубком 19 для подвода газов из эжектора 10 по окружности камеры, конический участок 20, оканчивающийся выходным соплом 21, патрубок 22 на наружной поверхности днища 24, внутри охладительно-смесительной камеры на поверхности днища 24 по ее оси крепится суживающееся воздушное сопло 23, через которое осуществляется поступление охлаждающего воздуха в охладительно-смесительную камеру. Выходной участок 13 воздушной трубы одним концом крепится к патрубку 22, а другим телескопически соединяется с входным участком 14 воздушной трубы, в котором установлена заслонка 27, и имеющего раструб 15, расположенный соосно с концом аэродинамического клапана 1, выступающего из кожуха 8.

Теплогенератор пульсирующего горения работает следующим образом. С помощью трубки 6 через аэродинамический клапан 1 подается воздух в камеру сгорания 2, включается электрическая свеча 5, затем открывается запорный вентиль 4 и жидкое топливо через форсунку 3 подается в камеру сгорания 2. После достижения устойчивого пульсирующего горения в камере сгорания 2 прекращается подача воздуха через трубку 6 и отключается электрическая свеча 5. Продукты сгорания выбрасываются периодически с частотой 50-70 Гц из резонансной трубы с большой скоростью и высокой температурой 900-1100^oС. Проходя через горловину 12 эжектора 10, продукты сгорания создают разряжение в кожухе 8, за счет этого обеспечивается подсос холодного воздуха через входное отверстие кожуха 8, который, обтекая камеру сгорания 2 и резонансную трубу 7, смешивается в эжекторе 10 с продуктами сгорания и поступает в охладительно-смесительную камеру 17.

Во время пульсирующего горения в камере воспламенения 2 из аэродинамического клапана 1 периодически с частотой 50-70 Гц выбрасывается с высокой скоростью струя воздуха. Эта струя направляется во входной участок 14 воздушной трубы, что и обеспечивает подсос в нее через раструб 15 холодного окружающего воздуха. Входной участок 14 воздушной трубы изогнут таким образом, чтобы выходящий из нее воздух был направлен по оси кожуха и через выходной участок 13 воздушной трубы поступал в смесительно-охладительную камеру 17 через воздушное сопло 23. В камере 17 происходит смешение охлаждающего воздуха с газами из эжектора 10 и образуется смесь газов с температурой, требуемой для рабочей смеси t_pc, которая через выходное сопло 21 охладительно-смесительной камеры поступает потребителю.

Регулирование параметров рабочей смеси, таких как температура t_pc и расход рабочей смеси G_pc, может осуществляться несколькими способами. Так как предлагаемое техническое решение теплогенератора с камерой пульсирующего горения предполагает его многоцелевое использование как для сушки материалов с различными физико-химическими свойствами, так и для отопления помещений, то первоначально экспериментальным путем настройка на рабочий диапазон параметров рабочей смеси осуществляется подбором диаметра горловины эжектора и расстояния l от среза резонансной трубы 11 до горловины 12 эжектора 10, обеспечивающих максимальные для заданного процесса значения параметров t_pc, G_pc при максимальном расходе топлива G_т. Для этой цели используются телескопические соединения 9 и 26. Возможность такого пути регулирования базируется на теории струйных аппаратов, которая показывает, что l=f(u, d_pт), где u= G_в/G_пс - коэффициент эжекции, d_pт - диаметр выходного сечения резонансной трубы. Этот этап регулирования необходим, так как нет теории расчета эжекторов с пульсирующими потоками. Дальнейшее регулирование осуществляется тремя путями: 1. При постоянном расходе топлива G_т, изменяя расстояние l от максимального l_max, определяемого в процессе настройки, до l=0, когда срез резонансной трубы совпадает с сечением горловины эжектора.

2. При фиксированном l путем изменения расхода топлива G_т за счет изменения давления перед топливной форсункой 3.

3. При фиксированном расстоянии между срезом резонансной трубы 11, горловиной 12 эжектора 10 и постоянном расходе топлива G_т путем изменения положения заслонки 27 во входном участке 14 воздушной трубы.

В первом случае, при максимальном расстоянии l_max обеспечивается максимальное количество подсасываемого с помощью эжектора воздуха G_в, что соответствует максимальному коэффициенту эжекции u и дает максимальный расход G_рс и давление в камере. При l=0 обеспечивается минимальный коэффициент эжекции u и, соответственно, минимальный расход рабочей смеси G_рс.

Во втором случае, при постоянном расстоянии l изменение расхода топлива G_т приводит к изменению расхода продуктов сгорания G_пc и скорости продуктов сгорания W_пc, вытекающих из резонансной трубы, т.е. изменяется импульс продуктов сгорания G_пcW_пc. Это приводит к тому, что изменяется количество подсасываемого воздуха G_в и, как следствие, производительность по рабочей смеси V_pc и давление в камере.

В третьем случае, при постоянном расстоянии l от выходного конца резонансной трубы до горловины эжектора и при постоянном расходе топлива G_т изменение положения заслонки 27 во входном участке воздушной трубы приводит к изменению количества холодного воздуха, поступающего через воздушную трубу 13 в охладительно-смесительную камеру 17. При полностью открытой заслонке 27 в охладительно-смесительную камеру 17 поступает максимально возможное количество воздуха. При этом достигается максимальная производительность теплогенератора _pc.

Температура рабочей смеси зависит от количества подсасываемого с помощью эжектора 10 воздуха G_в и расхода топлива G_т, поэтому требуемое значение температуры рабочей смеси t_pc достигается сочетанием двух последних способов регулирования при постоянном расстоянии l от горловины эжектора 12 до среза резонансной трубы 11.

Возможность регулирования параметров продуктов сгорания, вытекающих из резонансной трубы путем изменения давления топлива перед форсункой, подтверждены авторами экспериментально (А.С. 1774210, G 01 М 15/00, 1992).

Предлагаемый теплогенератор с камерой пульсирующего горения имеет достоинства прототипа (Патент 2096683 6 F 23 С 11/04). Однако в прототипе возможности регулирования параметров рабочей смеси на выходе из эжектора, таких как температура рабочей смеси t_pc и объемная производительность V_pc, ограничены. Это объясняется тем, что холодный воздух, поступающий через воздушную трубу и кожух теплогенератора к эжектору, где происходит его смешение с продуктами сгорания, выходящими из резонансной трубы с температурой около 1000^oС, нагревается перед смешением от стенок камеры сгорания и резонансной трубы, поэтому его температура становится выше температуры наружного воздуха. В промышленном образце теплогенератора, выполненном по патенту 2096683, на выходе из эжектора, за счет регулирования была достигнута температура рабочей смеси t_pc в пределах 220-300^oС. Кроме этого, уменьшается возможная производительность теплогенератора V_pc при постоянном расходе топлива, так как он определяется диаметром горловины эжектора, а при нагреве холодного воздуха в кожухе эжектора его плотность уменьшается, удельный объем увеличивается и пропускная способность эжектора падает.

Так как в прототипе возможности регулирования параметров рабочей смеси ограничены, то для различных областей применения каждый раз надо проектировать камеру пульсирующего горения на новый расход топлива, а регулирование выполняет только задачу согласования параметров рабочей смеси с заданным процессом. Однако проектирование и доводка камер пульсирующего горения имеют целый ряд трудностей из-за того, что рабочий процесс в этих устройствах недостаточно изучен.

Предлагаемая конструкция теплогенератора пульсирующего горения позволяет расширить диапазон регулирования температуры рабочей смеси t_pc на выходе из его сопла и увеличить объемную производительность рабочей смеси V_pc. Это достигается тем, что холодный воздух, необходимый для снижения температуры рабочей смеси, дополнительно поступает через раструб 15 и воздушную трубу, присоединенную к охладительно-смесительной камере 17, минуя кожух теплогенератора. За счет такой конструкции дополнительный воздух не нагревается от корпуса камеры сгорания и имеет температуру и плотность окружающего воздуха, независящую от температуры в камере сгорания, которая изменяется в зависимости от расхода топлива. За счет установки в охладительно-смесительной камере суживающегося сопла 23 в ней создается дополнительное разряжение. Это создает условие, обеспечивающее увеличение производительности теплогенератора и напора рабочей смеси. Увеличение напора необходимо в случаях, когда газораздающие каналы, по которым рабочая смесь поступает потребителю, имеют большое сопротивление. При перпендикулярном расположении оси смесительно-охладительной камеры относительно оси кожуха теплогенератора уменьшается общая длина теплогенератора, а поток горячих газов из эжектора поступает в цилиндрический участок охладительно-смесительной камеры по окружности, что увеличивает его время пребывания в камере и улучшает смешение с холодным воздухом, поступающим из воздушной трубы по оси камеры.

По предложенному техническому решению спроектирован и изготовлен теплогенератор пульсирующего горения для сжигания дизельного топлива. При средней тепловой мощности 120 кВт путем регулирования расхода топлива его тепловая мощность может изменяться от 100 до 150 кВт, объемная производительность рабочей смеси - от 3000 до 4000 м³/ч и температура - от 100 до 150^oС. Были проведены замеры его технических характеристик при расходе дизельного топлива G_т=12 л/ч =(2,9•10^-3 кг/с). Полезная тепловая мощность составила 110 кВт, объемная производительность рабочей смеси на выходе из сопла V_pc=3414 м³/ч, температура рабочей смеси t_pc= 133^oC, скорость рабочей смеси на выходе из сопла W_pc=13,3 м/с, коэффициент использования тепловой энергии топлива 0,89, потребляемая мощность для подачи топлива 0,05 кВт, при этом система подачи топлива может работать как от сети переменного тока 220 В, так и от аккумулятора постоянного тока 12 В.

Указанный теплогенератор был использован для отопления склада объемом 2000 м³ и производственного помещения объемом 1700 м³. При этом теплогенератор устанавливался непосредственно в отапливаемом помещении без выхлопной трубы, что обеспечивало полную рециркуляцию воздуха в отапливаемом помещении. Такой способ установки возможен только для теплогенераторов пульсирующего горения, благодаря которому обеспечивается полное сгорание топлива без образования вредных веществ. Это подтверждается протоколом N2780-2791 центра ГОССАНЭПИДНАДЗОРА г. Тамбова от 16 ноября 1999 г. Согласно этому протоколу на выходе из теплогенератора концентрация окиси азота составила 0 мг/м³ при ПДК=5 мг/м³, сернистого ангидрида 0 мг/м³ при ПДК=10 мг/м³ и окиси углерода в среднем 13,1 мг/м³ при ПДК=20 мг/м³.

Формула изобретения

Теплогенератор пульсирующего горения, содержащий эжектор, камеру пульсирующего горения с аэродинамическим клапаном, включающую камеру сгорания с системой подачи и воспламенения топлива и резонансную трубу, расположенные в общем кожухе, который телескопически соединен с эжектором с возможностью осевого перемещения, воздушную трубу с входным и выходным участками, отличающийся тем, что теплогенератор снабжен охладительно-смесительной камерой, соединенной с эжектором, ось которой расположена перпендикулярно оси эжектора, охладительно-смесительная камера имеет цилиндрический участок с патрубком для подвода газов из эжектора по окружности камеры, конический участок, оканчивающийся выходным соплом, суживающееся воздушное сопло, расположенное внутри указанной камеры, и патрубок для подключения выходного участка воздушной трубы, выходной участок воздушной трубы телескопически соединен с входным участком воздушной трубы с установленной в нем заслонкой, при этом входной участок трубы имеет раструб, расположенный соосно с выступающим из кожуха концом аэродинамического клапана.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2